深部煤层气水平井钻完井工艺优化研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 20 日 作者简介：李祥（1985），男，汉族，湖北监利人，本科，副高级，研究方向为煤及煤层气勘探开发。-87-深部煤层气水平井钻完井工艺优化研究 李 祥 乌鲁木齐市沙依巴克区西山东街，新疆 乌鲁木齐 830099 摘要：摘要：对于提高开采效率,保证井眼稳定,降低成本,深部煤层气水平井钻完井工艺优化研究意义重大。从井型选择、井身结构优化、钻具组合、井液系统、完井方式等五个方面进行了系统的分析和总结。在井型选择上,能最大限度地提高井眼通透率,保证煤层内井筒覆盖有效,井型选择科学合理。通过套管的合理配置和井身结构的设计,确保井眼稳定完整,降低井眼坍塌风险,是井身结构优化的关键。优化钻具组合可以通过钻头、扩孔器等设备的合理选择,减少钻井过程中的阻力,提高钻速,从而有助于提高钻井效率,降低成本。对于钻探液态系统的优化,通过对液态性质的调整,降低井眼坍塌的危险性,提高作业效率。最后,优化完井方式,保证井眼完整,稳定安装井下设备,为煤层气长年开采打下可靠基础。关键词：关键词：深部煤层气；水平井；钻完井；工艺优化 中图分类号：中图分类号：TE243 0 引言 深部煤层气水平井的钻完井工艺,直接关系采收率和经济效益,在煤层气开发中占有关键地位。对井型选择、井身结构、钻具组合等方面的优化原则进行了系统的探讨,以提高深部水平井的建井质量。对这些方面进行深入研究分析,既有利于解决钻完深部水平井的现实问题,又能为高效稳定地开采煤层气提供科学依据。通过优化这些关键环节,为实现深部煤层气可持续发展奠定基础,更好地应对复杂多变的地质条件,提高钻井效率,降低工程风险。1 深部煤层气水平井钻完井工艺概述 煤层气开发的关键环节之一深部煤层气水平井钻完工艺的成功实施,对生产能力和采收率有着直接的影响。一是钻探位置确定后,为保证水平井的走向和倾角达到煤层气生产能力的最佳开采要求,需要进行井眼定向设计。随后进行了包括建井、调试设备、装配钻具在内的钻探前准备工作,以保证整个钻探系统运转正常。进入正式钻探阶段后,首先进行钻探立井,也就是在竖段内完成套筒下套、水泥封固等作业,保证井筒稳固,井壁完好。下一步,实施水平段钻探定向钻探技术,通过调整钻头方向,控制井眼走向和倾角,使其逐步进入目标煤层,通过钻头方向的调整,使井眼向下倾斜。在这一过程中,要求对井下情况进行严密监测,对钻探参数进行及时调整,做到井眼稳、方向准。水平段钻探一旦完成,还需进行包括下放套管、注入水泥等在内的固井工作,以防止井壁垮塌,保证井眼整体性,提高井筒承重能力。随后进行了包括安装油管、吊装设备在内的井筒完井作业,使井筒形成了一个完整的体系。最后进行井下设备的产能测试和调试工作,以保证符合预期生产要求的水平井。2 深部煤层气水平井钻完井工艺存在的问题 2.1 井眼稳定性问题 钻井和完井过程中经常遇到的挑战之一就是深部水平井的井眼稳定性问题。由于水平井井眼比较长,容易出现井眼不稳定的情况,受地层差异和构造复杂的影响比较显著。井壁塌陷、井筒变形等问题,就是这种不稳定的主要表现。一是在地质条件变化较大的地段可能发生井壁塌陷,造成井眼周边岩层不稳定,形成塌陷物,给井下作业设备的正常运转带来麻烦。二是井下设备通过难度加大,可能是地层差异造成,造成井眼形状不规则。这种变形不仅使井内作业环境变得复杂,而且可能对整个煤层气开采的安全和效率造成损害,比如井下的仪器和管柱。2.2 定向控制难度 在深部煤层气水平井钻探中出现的定向操纵问题,在技术上具有挑战性。定向调控的难度明显加大,因为煤层气水平井需要在地下复杂的地层条件下开展。一是地层变化既有横向差异,也可能涉及纵向不均,复杂中国科技期刊数据库 工业 A-88-了精确定位钻探方向。二是对井眼定向稳定性构成挑战的断层、褶皱等地层中可能存在各种复杂构造,容易造成定向控制偏差。由于这些困难,很容易造成井眼偏离目标煤层,进入非煤层岩石中,从而影响也影响到井的经济利益。2.3 固井质量难以保障 在固井工作中，水泥浆体在流动过程中受到不均匀流体力学的影响,很难形成均匀牢固的水泥环,因为水平井的井深较大,且井眼曲率较高。这种流体的不均匀可能造成井眼内水泥浆分布不均,形成局部的弱点,使整体封固的强度和稳定性都会因此而降低。其次,可能造成水泥浆流动障碍的形状和位置也对固井质量提出了挑战。此障碍可能造成井眼周围的水泥不能完全填满而形成完整的密封。因此,在水平井中,固井质量的不稳定性可能会表现为密封效果不佳,从而对井筒整体的固定性产生影响。2.4 井下作业环境恶劣 深部煤层气水平井的井下作业环境往往处于井下较深的位置,因而表现出较为恶劣的特征,在井下作业环境中,煤层气水平井的井下作业环境经常处于井下较深的位置。首先,井下温度可能更高,对设备和操作人员的挑战也很大,高温是一个显著的问题。高温环境可能会造成设备过热,润滑油性能下降,从而使设备发生故障的几率增大。其次,压力大也是大家普遍关心的另一个问题。深部井下地层受压较大,对井下设备的密封性、承载力等方面的要求可能会更高一些。高压环境对作业人员的安全造成了潜在的威胁,不仅增加了设备损坏的危险。另外,井下作业面临的挑战之一就是高硫环境。深部煤层可能含有较高浓度的硫化氢等有害气体,对设备和操作人员的腐蚀性提出了额外的考验,需要采取相应的措施确保设备稳定和操作人员安全,因此,对设备和操作人员的腐蚀性要求较高,3 深部煤层气水平井钻完井工艺优化原则 3.1 定向井眼设计与控制原则 在深部煤层气水平井的开发中,定向井眼设计与控制是必不可少的一环。一是在设计水平井时,必须综合考虑地质特征,如地层结构、煤层气分布等,对井眼的走向、倾角进行科学合理的测定。这就需要对地质勘探资料进行综合考量,确定煤层气的分布规律,这样才能提供一个精确的地质背景,供井眼设计之用。其次,井眼的精确控制是通过先进的定向钻探技术来实现的。这包括利用高精度的测井工具和导向钻头,及时调整钻进方向,降低井眼偏离目标煤层的风险,通过对井眼的方向和倾角进行实时监测。同时,采用井下实时地质测量和导向技术,使地层情况掌握得更加准确,井位调整及时,保证了井眼最佳位置穿越煤层。3.2 固井工艺和材料选择原则 保证井筒完整和煤层气采收率,关键在于优化固井工艺。在水平井的固井中,应选用适用于高温、高压环境的水泥材料,并通过调整固井配方和注入工艺,提高水泥浆的流动性,提高封固效果,在固固井中,应选用同时采用合理的固井方式,结合地层特点,做到井眼稳固,井体完整。3.3 设备技术升级与维护原则 钻井完井设备要不断升级优化,提高水平井施工效率和设备可靠性。为适应深部煤层气水平井的特殊工程需求,选用先进的定向钻井设备井井下作业设备。同时,对设备实行定期检修、保养,以提高使用年限、降低运行费用。3.4 环境与安全管理原则 在钻探和完成深部水平井的过程中,对地下水资源和地层环境的保护应严格遵守环保法规。对地下水污染、地层压力失控等问题,要采取环保措施加以防范。同时,为确保井下作业人员安全,防止发生井口事故,制定了详细的安全管理方案。对井场实行安全监控,全程培训,使井场管理水平有了新的提高。4 钻完井方式优化 4.1 井型优选 在深部煤层气水平井钻完方式中,影响整个钻探工程效果的关键因素是选择井型。井型优选需要综合考虑包括地质特点、煤层气分布、预期产能等多的多个因素。直井或 S 型井由于设计和施工方式相对简单,能高效穿越煤层,提高井眼通透率,在煤层气分布均匀的情况下,可能是合适的选择。但考虑到采用 J 型等复杂井型,以适应地质条件的变化,保证井眼能穿越更多的煤层单元,使煤层气的开采潜力最大化,可能对煤层气分布更不均匀的情况更为合适。通过对井型的科学合理选型,既提高了钻探效率,又保证了井筒全覆盖煤中国科技期刊数据库 工业 A-89-层,为煤层气的后续开采打下了良好的基础。4.2 井身结构优化 在深部煤层气水平井钻完工程中,保证井眼稳定完整的关键因素是井身结构的优化。采用先进的井体结构设计,在面对复杂多变的地质条件时显得十分必要。井体结构的优化,需要对井眼的承载力、地层稳定性等进行综合考虑,才能减少井眼坍塌的危险。套筒的合理配置是井体结构中的重要一环,能有效地增强井体的整体强度,通过选用尺寸适当、质量优良的套筒。此外,能够提高井身对地层的适应能力,减少地层对井身不稳定的影响,调整井身直径和设计合适的井眼壁支撑方式也是优化井身结构的重要手段。通过对井身进行科学合理的结构优化,为深部煤层气水平井安全高效钻井提供可靠的技术支撑,有效降低井眼变形破坏风险,提高井身抗压能力,确保井筒在复杂地层中稳定工作。4.3 钻具组合优化 确保钻井过程高效进行的核心环节是深部煤层气水平井的钻具组合优化。选择合适的钻具组合,在面对不同地质条件和井型要求时必不可少。一是科学选择合适的钻头,根据井井径、地层硬度等因素,保证不同地质层钻进效率高。其次,还要根据井型、地层等条件,合理配置扩孔器的选型,以适应井径要求。另外,整个钻探过程的稳定性和效率也受到钻杆设计和选型的直接影响。通过钻具组合的科学优化,在降低钻探成本、提高工程效益的同时,有效降低了钻探时的阻力,提高了钻进速度,降低了设备的磨损。4.4 钻井液体系优化 确保钻探过程中井眼稳定、高效作业的关键环节是深部煤层气水平井的钻井液体系优化。在面临地层特征多样化、钻井目的不同的情况下,提高钻井效率、保障工程安全的重要手段是钻井液态系统的科学合理选择和优化。一是对深部水平井适用的高性能钻井液,需要根据地质条件进行选择。为应对复杂多变的地质条件,保证井眼在不同地层中的稳定性,这种液体系统应具有适当的粘度、密度等特性。二是通过对井液性质的调整,使井眼坍塌的危险降低到一定程度,使井下设备受损程度降低。另外,经过科学优化的液态系统,在钻探过程中还可以提高钻探速度,降低作业难度。在减少对地层扰动的同时,还有助于维护井眼的稳定性,通过减少钻井液系统的阻力,确保井下设备高效运转。4.5 完井方式优化 确保井筒稳定和设备安全运行的关键一步是深部煤层气水平井的完井方式优化。在打完井的过程中,套管规格的选择首先需要科学合理,根据实际的地质情况和井眼的特点来进行。适当的套筒规格可以提供充足的井筒支撑,同时保证了套筒下放过程的顺畅。另外,在封固水泥方面,针对不同地层渗透性、井眼大小等情况,优化水泥浆配方。水泥固化过程中温度和压力降低对井眼稳定性的影响,通过使用高性能水泥和添加剂来保证水泥浆体的流动性和封固效果。同时,采用定向井下工具、智能井下传感器等先进的完井工具和技术,帮助完成精度和效率的提高。既能保证井眼整体性,提高井筒承载力,又能为后续的煤层气开采提供可靠的基础,通过科学合理的方式优化完井。5 结语 在井型选择、井身结构、钻具组合、钻液体系和完井方式等方面提出了一系列可行的优化原则,研究深部煤层气水平井钻完工艺的优化是一个复杂而紧迫的问题。这些原则的实施有望为深部煤层气的可持续开采提供关键支撑,从而提高钻井效率,降低成本,确保井眼稳定。但需要说明的是,不同煤层气水平井可能需要差异化的优化策略,以应对特定的地质条件和工程要求。今后的研究还需要在适应煤层气发展变化需求的过程中,深入挖掘新的技术手段,不断优化工艺流程。参考文献 1鲜保安,高德利,徐凤银等.中国煤层气水平井钻完井技术研究进展J.石油学报,2023,44(11):1974-1992.2王宇红,孙天玉,李鹏.沁水盆地深部煤层气水平井定向钻进地质导向技术J.煤矿安全,2023,54(6):41-46.3刘长华,高宇,郭琪等.深部煤层气水平井钻完井工艺优化研究J.中国煤层气,2023,20(02):27-30.4申鹏磊,吕帅锋,李贵山等.深部煤层气水平井水力压裂技术以沁水盆地长治北地区为例J.煤炭学中国科技期刊数据库 工业 A-90-报,2021,46(8):2488-2500.5 申 鹏 磊,白 建 平,李 贵 山 等.深 部 煤 层 气 水 平 井 测-定-录 一 体 化 地 质 导 向 技 术 J.煤 炭 学报,2020,45(7):2491-2499.6付玉通,桑树勋,崔彬等.延川南区块深部煤层气 U 型分段压裂水平井地质适用性研究J.煤田地质与勘探,2018,46(5):146-152.基金项目:新疆维吾尔自治区自然科学基金资助项目,项目编号 2022D01F93。